Il palladio risolve i problemi di comunicazione nei transistor a ossido sepolto

Gli scienziati della Tokyo Tech hanno sviluppato un nuovo metodo che utilizza il palladio per iniettare idrogeno nei contatti degli elettrodi di ossido di metallo profondamente sepolti di dispositivi di memorizzazione a semiconduttore amorfo (AOS), riducendo la resistenza di contatto. Questo metodo innovativo offre una soluzione preziosa per affrontare i problemi di connettività dei sistemi AOS, aprendo la strada alla sua applicazione nei dispositivi di archiviazione e nei display di prossima generazione.

I transistor a film sottile (TFT) basati su semiconduttori a ossido amorfo (AOS) hanno ricevuto un'attenzione significativa per le applicazioni nei dispositivi di archiviazione di prossima generazione come la memoria ad accesso casuale dinamico (DRAM) senza condensatori e le tecnologie DRAM ad alta densità. Questi dispositivi di storage utilizzano architetture complesse con display TFT impilati verticalmente per ottenere densità di storage elevate. Nonostante il loro potenziale, i TFT AOS soffrono di problemi di contatto tra l’AOS e gli elettrodi che comportano una resistenza di contatto eccessivamente elevata, riducendo così la mobilità del portatore di carica e aumentando il consumo energetico. Inoltre, le architetture impilate verticalmente aggravano questi problemi.

Sono stati proposti diversi metodi per affrontare questi problemi, tra cui la deposizione di uno strato interfacciale di ossido altamente conduttivo tra i contatti, la formazione di posti vacanti di ossigeno sulla superficie di contatto AOS e il trattamento superficiale al plasma. L'idrogeno gioca un ruolo chiave in questi metodi, perché quando viene separato in idrogeno atomico e iniettato nell'area di contatto dell'elettrodo AOS, genera portatori di carica, riducendo così la resistenza di contatto. Tuttavia, questi metodi consumano molta energia o richiedono più passaggi e, sebbene risolvano efficacemente l’elevata resistenza di contatto della superficie superiore esposta dei semiconduttori, sono poco pratici per i contatti sepolti all’interno delle complesse nanostrutture dei dispositivi di archiviazione.

Per affrontare questo problema, un team di ricercatori (il professore assistente Masatake Tsuji, il dottorando Yuhao Shi e il professore emerito Hideo Hosono) del Centro di ricerca MDX per la strategia elementare nell'Iniziativa internazionale per le frontiere della ricerca presso il Tokyo Institute of Technology hanno sviluppato un romanzo metodo di iniezione di idrogeno. I loro risultati sono stati pubblicati online sulla rivista ACS Nano Il 22 marzo 2024.

In questo metodo innovativo, un elettrodo composto da un metallo adatto, che può catalizzare la dissociazione dell'idrogeno a basse temperature, viene utilizzato per trasferire l'idrogeno atomico all'interfaccia dell'elettrodo AOS, ottenendo uno strato di ossido altamente conduttivo. La scelta del materiale appropriato per gli elettrodi è quindi fondamentale per implementare questa strategia. “Questo metodo richiede un metallo con un'elevata velocità di diffusione dell'idrogeno e una solubilità dell'idrogeno per abbreviare i tempi di post-elaborazione e ridurre le temperature di lavorazione”, spiega il dottor Tsuji. “In questo studio, abbiamo utilizzato il palladio (Pd) perché svolge il duplice ruolo di catalizzando la dissociazione e il trasferimento dell’idrogeno, rendendolo il materiale “più conveniente per l’iniezione di idrogeno nei TFT AOS a basse temperature, anche a contatti interni profondi”.

Per dimostrare l'efficacia di questo metodo, il team ha fabbricato chip TFT di ossido di indio e gallio amorfo (a-IGZO) con elettrodi a film sottile come percorsi di trasferimento dell'idrogeno. I TFT sono stati trattati termicamente in un'atmosfera con pH al 5% a 150°C ⁰C per 10 minuti. Ciò ha portato al trasferimento dell'idrogeno atomico da parte del Pd all'interfaccia a-IGZO-Pd, provocando una reazione tra ossigeno e idrogeno, formando uno strato interfacciale altamente conduttivo.

I test hanno rivelato che, a causa dello strato conduttivo, la resistenza di contatto dei TFT è diminuita di due ordini di grandezza. Inoltre, la mobilità del portatore di carica è aumentata di 3,2 cm²Quinto^-1S^-1 A circa 20 cm²Quinto^-1S^-1Il che rappresenta un enorme miglioramento. “Il nostro metodo consente all'idrogeno di raggiungere rapidamente l'interfaccia ossido-PD anche all'interno del dispositivo, fino a una profondità di 100 micrometri. Ciò lo rende particolarmente adatto per affrontare i problemi di connettività dei dispositivi di archiviazione basati su AOS”, afferma il dott. Tsuji . Inoltre, questo metodo ha mantenuto la stabilità dei TFT, indicando l'assenza di effetti collaterali dovuti alla diffusione dell'idrogeno negli elettrodi.

Sottolineando il potenziale dello studio, il dottor Tsuji conclude: “Questo approccio è adattato ad architetture di dispositivi complesse, rappresentando una soluzione preziosa per applicare l'AOS nei dispositivi di memoria e nei display di prossima generazione”. IGZO-TFT è ora lo standard de facto per il pilotaggio dei pixel nei display a schermo piatto. La tecnologia attuale verrà presto applicata alla memoria.